CN113533216B - 一种水体偏振散射特性测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水体偏振散射特性测量装置。其中，该装置由可见光光源、激光光源、可见光光谱仪、激光探测器、可见光探测器、转台、偏振相机组成，其中，所述可见光光源与激光光源并联放置，用于产生可见光或激光光束。本发明解决了现有技术中存在1)只能观测径向与横向光，虽然能测得光的衰减，可近似得到粒子的复折射率和粒径分布，但结果很不准确；2)未用激光，灯光在窄谱时的能量弱，不能完全反映窄谱的特性，抑或光谱的传输特性；3)在水下探测时，不可避免受阳光、杂散光、水面面型的影响的技术问题。

Description

一种水体偏振散射特性测量装置
技术领域
本发明涉及水体性能测试领域，具体而言，涉及一种水体偏振散射特性测量装置。
背景技术
随着智能化科技的不断发展，人们的生活、工作、学习之中越来越多地用到了智能化设备，使用智能化科技手段，提高了人们生活的质量，增加了人们学习和工作的效率。
光在水体中存在吸收和散射，水体里的黄色物质主要起吸收作用，粒子主要起散射作用，通常测量水体的吸收可结合水体散射进行。水体散射测量通常可采集两路光，一路为顺着路径衰减的纵向光，一路为垂直于路径散射的横向光，分别反应水体浑浊体色度和浊度，是一种水体的常规检测手段。然而在实际测量中存在以下问题：1)只能观测径向与横向光，虽然能测得光的衰减，可近似得到粒子的复折射率和粒径分布，但结果很不准确；2)未用激光，灯光在窄谱时的能量弱，不能完全反映窄谱的特性，抑或光谱的传输特性；3)在水下探测时，不可避免受阳光、杂散光、水面面型的影响。因此有必要采用新的探测手段，避免以上情况的发生。
在实验室中水体的传输距离较近，偏振作为强度分量的进一步细分，具有显著的技术优势。当利用偏振分量进行检测时，不仅能检测出水体中悬浮颗粒复折射率的实部，而且可检测出虚部，粒子的形状和分布更加准确，因此是一种新型的检测方式。然而新检测方式与传统的水体散射特性相比，除光源上有可见光光源外，还增加了多组激光光源，期望得到更加精准的数据；在探测方式上，除横向和纵向光，还需轴上各个方向的光，并且需照射和接收的不同偏振光的组合；多个光源和观察角度的实验数据采集与分析需要新方法。此外当可见光和激光做光源时，也可进行水下传输特性试验，以确定采用不同的探测方式的作用距离。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种水体偏振散射特性测量装置，以至少解决现有技术中存在1)只能观测径向与横向光，虽然能测得光的衰减，可近似得到粒子的复折射率和粒径分布，但结果很不准确；2)未用激光，灯光在窄谱时的能量弱，不能完全反映窄谱的特性，抑或光谱的传输特性；3)在水下探测时，不可避免受阳光、杂散光、水面面型的影响的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种水体偏振散射特性测量装置，该装置由可见光光源、激光光源、可见光光谱仪、激光探测器、可见光探测器、转台、偏振相机组成，其中，所述可见光光源与激光光源并联放置，用于产生可见光或激光光束。
可选的，所述可见光光源是钨灯或氙灯，并具有准直或发散功能，所述可见光光源还包括：可见光光源圆偏振片、可见光光源刻度。
可选的，所述可见光光源圆偏振片为可取下的装置。
可选的，所述激光光源包括：375nm光源、450nm光源、532nm光源、650nm光源，所述激光光源还包括激光光源圆偏振片和激光光源刻度，其中，所述激光光源圆偏振片是可取下的装置。
可选的，所述可见光光谱仪的光谱范围是200nm～1100nm，所述可见光光谱仪的前端安装有可见光光谱仪偏振片，其中，所述可见光光谱仪偏振片安装有可见光光谱仪卡扣和可见光光谱仪刻度。
可选的，所述可见光光谱仪偏振片为可旋转及可取下的结构。
可选的，所述激光探测器的光谱范围是0.15μm～12μm，所述激光探测器具有单透镜聚光镜。
可选的，所述激光探测器的前端带有衰减片和激光探测器偏振片，所述激光探测器偏振片安装有激光探测器卡扣和激光探测器刻度，其中，所述激光探测器偏振片为可旋转及可取下的结构。
可选的，所述可见光探测器由可见光探测器圆偏振片、可见光探测器线偏振片、可见光探测器透镜组、可见光CCD组成。
可选的，所述可见光探测器偏振片的口径尺寸与所述可见光探测器透镜组口径尺寸相同，且大于所述可见光探测器透镜组的光阑尺寸。
可选的，所述可见光光源和激光光源中的光路中安装有光圈，用于调整水体中光束的大小，所述光圈可与镜头一起控制光束的发散程度。
在本发明实施例中，采用装置由可见光光源、激光光源、可见光光谱仪、激光探测器、可见光探测器、转台、偏振相机组成，其中，所述可见光光源与激光光源并联放置，用于产生可见光或激光光束的方式，解决了现有技术中存在1)只能观测径向与横向光，虽然能测得光的衰减，可近似得到粒子的复折射率和粒径分布，但结果很不准确；2)未用激光，灯光在窄谱时的能量弱，不能完全反映窄谱的特性，抑或光谱的传输特性；3)在水下探测时，不可避免受阳光、杂散光、水面面型的影响的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的水体偏振散射特性测试原理图；
图2是根据本发明实施例的可见光光源中的光学系统示意图；
图3是根据本发明实施例的激光光源中的光学系统示意图；
图4是根据本发明实施例的可见光光谱仪的光学系统示意图；
图5是根据本发明实施例的可见光光谱仪的光学系统示意图；
图6是根据本发明实施例的可见光光谱仪的光学系统示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种水体偏振散射特性测量装置的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
图1是根据本发明实施例的水体偏振散射特性测试原理图，如图1所示，该装置由可见光光源、激光光源、可见光光谱仪、激光探测器、可见光探测器、转台、偏振相机组成，其中，所述可见光光源与激光光源并联放置，用于产生可见光或激光光束。
具体的，本发明水体偏振散射特性测试装置在实施例中可以如图1所示，由可见光光源1、激光光源2、光谱仪、能量计、可见光探测器3和转台6组成。有两种工作方式，第一种，可见光照射可见光(光谱仪)探测，主要用于宏观上浑浊液体浊度，及液体在光谱维度的分布，适当兼顾粒子的浓度和分布。第二种，激光照射激光(能量计)探测，主要用于粒子浓度和分布的参数。第三种，水体里的作用距离，主要为了得到可见光和激光偏振照射下偏振的作用距离。
可选的，所述可见光光源是钨灯或氙灯，并具有准直或发散功能，所述可见光光源还包括：可见光光源圆偏振片、可见光光源刻度。
可选的，所述可见光光源圆偏振片为可取下的装置。
可选的，所述激光光源包括：375nm光源、450nm光源、532nm光源、650nm光源，所述激光光源还包括激光光源圆偏振片和激光光源刻度，其中，所述激光光源圆偏振片是可取下的装置。
可选的，所述可见光光谱仪的光谱范围是200nm～1100nm，所述可见光光谱仪的前端安装有可见光光谱仪偏振片，其中，所述可见光光谱仪偏振片安装有可见光光谱仪卡扣和可见光光谱仪刻度。
可选的，所述可见光光谱仪偏振片为可旋转及可取下的结构。
可选的，所述激光探测器的光谱范围是0.15μm～12μm，所述激光探测器具有单透镜聚光镜。
可选的，所述激光探测器的前端带有衰减片和激光探测器偏振片，所述激光探测器偏振片安装有激光探测器卡扣和激光探测器刻度，其中，所述激光探测器偏振片为可旋转及可取下的结构。
可选的，所述可见光探测器由可见光探测器圆偏振片、可见光探测器线偏振片、可见光探测器透镜组、可见光CCD组成。
可选的，所述可见光探测器偏振片的口径尺寸与所述可见光探测器透镜组口径尺寸相同，且大于所述可见光探测器透镜组的光阑尺寸。
可选的，所述可见光光源和激光光源中的光路中安装有光圈，用于调整水体中光束的大小，所述光圈可与镜头一起控制光束的发散程度。
具体的，本发明实施例中的可见光光源中的光学系统如图2所示，由钨灯(氙灯)、抛物面反射镜、匀光片、光圈、2组双胶合透镜、偏振片组成，主要用于将钨灯(氙灯)产生的可见光经过抛物面反射镜反射和汇聚，然后通过匀光片进行匀光，通过双胶合镜头变成平行光投射出去。双胶合与匀光片的距离可调整，必要时将光调整为发散状。根据需要，可调整光圈大小，得到合适粗细的光。
本发明实施例中的激光光源中的光学系统如图3所示，由激光器、伽利略型镜组I、光圈、伽利略型镜组II、偏振片组成。两组伽利略镜组主要用于激光口径的二级放大，其中第二级放大前后可移动，需要时可将激光变为发散光。在伽利略镜组之间存在光圈，用以调节激光光斑大小。最后一片偏振镜主要用于在此保证发射光为偏振光。
本发明实施例中的光谱仪中的光学系统如图4所示，由圆偏振片、线偏振片、透镜组、光纤、光谱仪组成。圆偏振片和线偏振片外圈标有刻度，圆偏振与线偏振的长轴重合时，则接收到的光为左旋偏振光，反之为右旋偏振光。光谱仪中的透镜组为窄视场透镜，视场为5°左右，起到压缩视场的作用。
本发明实施例中的能量计中的光学系统如图5所示，由圆偏振片、线偏振片、衰减片、单透镜、能量计组成。能量计中的圆偏振片和线偏振片的用途与光谱仪中的一致。衰减片的目的是使激光的能量控制在探测器工作合理的范围之内。单透镜使用火石玻璃，与能量计的距离为焦距的一半，或取能量计工作焦面的一半，衰减片和单透镜都是为了保证探测器取值合理。
本发明实施例中的可见光探测器中的光学系统如图6所示，有圆偏振片、线偏振片、透镜组、可见光CCD组成。圆偏振片和线偏振片的用途与光谱仪和能量计中的一致，偏振片的口径尽可能靠近透镜组，且略大于透镜组的光阑。
实施例二
在本发明实施例中，通过实施例一中的装置进行光谱数据采集和处理，其中，数据处理方法可以包括以下：
光谱仪数据处理方法：当被测物为纯净水、光源用无偏可见光源时、光谱仪为无偏光谱仪，S0、S90、S180分别为转台为0°、90°、180°时光谱仪的值。由于玻璃和纯净水的折射、反射和透射，在计算时需减去S90、S0。S0为纯净水的值，考虑到光源光谱的不同，所有光谱的值需做归一化处理。当被测物为待测液体、光源为无偏可见光源时、光谱仪为无偏光谱仪，T0、T5、T15、T30、T60、T90、T145、T180为光谱仪在相应角度上的测量值，先减去S90与S180之和的一半，再进行归一化。当液体的长度等效为1m时，则T0与S0的比值即为浊度。光源为0°偏振角度，光谱仪为偏振光谱仪。光谱仪先测量偏振的角度分别为0°、45°、90°、135°(或0°、60°、120°)，数值为e0、e45、e90、e135，再使转台转动至相应角度测量0°、5°、15°、30°、60°、90°、145°、180°。假定不发光的部分对散射影响较小，发光的部分主要由激光束和光谱仪的有效直径与夹角决定，而发光部分由面向光谱仪和面向激光器2部分构成，需将2部分相加。取单位立方体后，于是线偏振光的值由以下公式得出：
Figure BDA0003214411730000061
能量计数据处理方法：当被测物为纯净水、光源为激光光源，在转台角度为0°、90°、180°，偏振角度为0°、45°、90°、135°(或0°、60°、120°)，计算的得以校正的I、Q、U值，取0°和90°有效，180°参考，也可直接用于减去I值，Q、U为零。当被测物为待测液体，先测量偏振的角度分别为0°、45°、90°、135°(或0°、60°、120°)，数值为e0、e45、e90、e135，再使转台转动至相应角度测量0°、5°、15°、30°、60°、90°、145°、180°，线偏振的计算方式如上式。假定粒子的浓度修正γ模型，粒子的复折射率，共计6个变量。首先粒子的实部、虚部和粒子的大小计算一个粒子的Stokes矢量：无量纲复振幅的两个标量S1和S2，包含π、τ、a、b的解；π和τ为缔合拉格朗日多项式，a和b是第一类和第二类贝塞尔函数的组合；在计算贝塞尔函数时，既可以向上又可以向下递归，计算截至步数分别不同；穆勒矩阵元由无量纲复振幅S1和S2计算得到。其次，离散坐标和蒙特卡洛两种方法可求得水中粒子的偏振。离散坐标中当粒子只发生一次散射时，散射强度等于散射相函数与衰减函数的相乘；当粒子发生多次散射时，散射强度是散射相函数与入射强度相乘之后的积分；当粒子处于二者之间则为二者相加；相函数为穆勒矩阵除以散射消光截面。蒙特卡洛采用随机粒子逐个计算的方式获取。最后，通过最小二乘法计算6个变量。
偏振相机数据处理方法：当使用可见光源时，光源和相机的组合关系有：无偏光源无偏相机、无偏光源偏振相机、有偏光源无偏相机、有偏光源偏振相机。在有偏光源偏振相机时又可分为：0°、45°、90°线偏振组合，线圆偏振和圆线偏振的组合，同向和逆向圆偏振组合。当使用激光时，只有有偏光源。记录相机所能75％分辨的四杆靶，或者50％分辨等边三角形方向的空间频率，根据实验室容器的长度，推算相机的工作距离；或者已知相机的作用距离推算浑浊液体的黄色物质和粒子散射。
通过上述实施例，解决了现有技术中存在1)只能观测径向与横向光，虽然能测得光的衰减，可近似得到粒子的复折射率和粒径分布，但结果很不准确；2)未用激光，灯光在窄谱时的能量弱，不能完全反映窄谱的特性，抑或光谱的传输特性；3)在水下探测时，不可避免受阳光、杂散光、水面面型的影响的技术问题。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种水体偏振散射特性测量装置，包括可见光光源、激光光源、可见光光谱仪、激光探测器、可见光探测器、转台、偏振相机，其中，所述可见光光源与激光光源并联放置，用于产生可见光或激光光束；所述可见光光谱仪的光谱范围是200nm~1100nm；所述激光光源包括：375nm光源、450nm光源、532nm光源、650nm光源；其特征在于:
该装置包括以下工作方式：第一种：可见光照射并通过可见光光谱仪探测，用于宏观上浑浊液体浊度，及液体在光谱维度的分布，适当兼顾粒子的浓度和分布；第二种：激光照射并通过激光探测器探测，用于粒子浓度和分布的参数；第三种：得到可见光和激光偏振照射下偏振的作用距离；
该装置包括可见光光源中的光学系统、激光光源中的光学系统、光谱仪中的光学系统、激光探测器中的光学系统；
所述可见光光源中的光学系统结构为：由钨灯或氙灯、抛物面反射镜、匀光片、光圈、2组双胶合透镜、偏振片组成，将钨灯或氙灯产生的可见光经过抛物面反射镜反射和汇聚，然后通过匀光片进行匀光，通过双胶合镜头变成平行光投射出去，其中双胶合与匀光片的距离可调整，可将光调整为发散状；根据需要，可调整光圈大小，得到合适粗细的光；
所述激光光源中的光学系统机构为：由激光器、伽利略型镜组I、光圈、伽利略型镜组II、偏振片组成；两组伽利略镜组用于激光口径的二级放大，其中第二级放大前后可移动，可将激光变为发散光；在伽利略镜组之间存在光圈，用以调节激光光斑大小；最后一片偏振镜主要用于在此保证发射光为偏振光；
所述可见光光谱仪中的光学系统结构为：由圆偏振片、线偏振片、透镜组、光纤组成；所述圆偏振片和线偏振片外圈标有刻度，圆偏振与线偏振的长轴重合时，则接收到的光为左旋偏振光，反之为右旋偏振光；光谱仪中的透镜组为窄视场透镜，视场为5°左右，起到压缩视场的作用；
所述激光探测器中的光学系统结构为：包括圆偏振片、线偏振片、衰减片、单透镜；激光探测器中的圆偏振片和线偏振片的用途与光谱仪中的一致，衰减片的目的是使激光的能量控制在探测器工作合理的范围之内；单透镜使用火石玻璃，与能量计的距离为焦距的一半，或取能量计工作焦面的一半；
该装置进行光谱数据采集和处理时采取包括如下处理方法：
当被测物为纯净水、光源用无偏可见光源、光谱仪为无偏光谱仪时，采用光谱仪数据处理方法：S0、S90、S180分别为转台为0°、90°、180°时光谱仪的值；由于玻璃和纯净水的折射、反射和透射，在计算时需减去S90、S0；S0为纯净水的值，考虑到光源光谱的不同，所有光谱的值需做归一化处理；
当被测物为待测液体、光源为无偏可见光源、光谱仪为无偏光谱仪时，T0、T5、T15、T30、T60、T90、T145、T180为光谱仪在相应角度上的测量值，先减去S90与S180之和的一半，再进行归一化；当液体的长度等效为1m时，则T0与S0的比值即为浊度；光源为0°偏振角度，光谱仪为偏振光谱仪；光谱仪先测量偏振的角度分别为0°、45°、90°、135°，数值为e0、e45、e90、e135，再使转台转动至相应角度测量0°、5°、15°、 30°、60°、90°、145°、180°；假定不发光的部分对散射影响较小，发光的部分主要由激光束和光谱仪的有效直径与夹角决定，而发光部分由面向光谱仪和面向激光器2部分构成，需将2部分相加；取单位立方体后，于是线偏振光的值由以下公式得出：
Figure 757031DEST_PATH_IMAGE001
；
当被测物为纯净水、光源为激光光源时，采用能量计数据处理方法：在转台角度为0°、90°、180°，偏振角度为0°、45°、90°、135°，计算得到校正的I、Q、U值；当被测物为待测液体，先测量偏振的角度分别为0°、45°、90°、135°，数值为e0、e45、e90、e135，再使转台转动至相应角度测量0°、 5°、15°、30°、60°、90°、145°、180°，线偏振的计算方式如上式；假定粒子的浓度修 正γ模型，粒子的复折射率，共计6个变量；首先粒子的实部、虚部和粒子的大小计算一个粒子的Stokes矢量：无量纲复振幅的两个标量S1和S2，包含π、τ、a、b的解； π和τ为缔合拉格朗日多项式，a和b是第一类和第二类贝塞尔函数的组合；在计算贝塞尔函数时，既可以向上又可以向下递归，计算截至步数分别不同；穆勒矩阵元由无量纲复振幅S1和S2计算得到；其次，离散坐标和蒙特卡洛两种方法可求得水中粒子的 偏振；离散坐标中当粒子只发生一次散射时，散射强度等于散射相函数与衰减函数的相乘；当粒子发生多次散射时，散射强度是散射相函数与入射强度相乘之后的积分； 当粒子处于二者之间则为二者相加；相函数为穆勒矩阵除以散射消光截面；蒙特卡洛采用随机粒子逐个计算的方式获取；最后，通过最小二乘法计算6个变量；
当使用可见光源时，采用偏振相机数据处理方法：光源和相机的组合关系有：无偏光源无偏相机、无偏光源偏振相机、有偏光源无偏相机、有偏光源偏振相机；在有偏光源偏振相机时又可分为：0°、45°、90°线偏振组合，线圆偏振和圆线偏振的组合， 同向和逆向圆偏振组合；当使用激光时，只有有偏光源；记录相机所能75％分辨的四杆靶，或者50％分辨等边三角形方向的空间频率，根据实验室容器的长度，推算相机 的工作距离；或者已知相机的作用距离推算浑浊液体的黄色物质和粒子散射。
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